諧振子是自然界中隨處可見的現象，而科學家發現他們可以將玻色子系統當作諧振子系統來進行數據模擬實驗。在量子力學中，諧振子的運動是用典型的波函數來進行描述的，而上圖中就是幾個（典型的）波函數。費米實驗室的團隊最近發現了一種在量子計算機上表示玻色子系統波函數的方法。
據美國“物理學網”（Phys.org）5月3日消息稱，美國能源部下屬的費米實驗室（Fermilab）的科學家團隊發現了一種實驗方法，這種方法可以利用量子計算技術來對一種在物理層面上維繫宇宙結構的基礎相互作用進行建模運算。他們在去年9月12日發表於《物理評論快報》的一篇研究論文中表示，他們填補了一個利用量子計算機對亞原子世界進行建模的空白，而他們的研究對象是一類之前在量子模擬實驗中被相對忽視的粒子——玻色子。
從今天的物理學中，我們知道，構成宇宙的基本粒子可以分為兩組：一組是費米子（fermion），它是組成物質的基本粒子；另一組是玻色子（boson），它是對物質粒子起拖曳作用的場粒子。近年來，科學家成功開發了能對費米子系統進行數據運算實驗的量子算法，然而，他們在玻色子系統上進行同類實驗時卻困難重重。
費米實驗室的科學家Alexandru Macridin首次在通用量子計算機上找到了一種方法來模擬同時包含費米子和玻色子的系統，從而為亞原子領域的真實模擬實驗打開了一扇大門。Macridin介紹道：“在以前的研究文獻中，還從來沒有人專門研究過量子計算中玻色子的表現。但是，這次我們的方法奏效了，而且比我們預期的要好。”
在量子計算的文獻中，玻色子的研究相對薄弱，一是與玻色子本身的性質有關，二是與量子計算研究的演化路徑有關。在過去十年，量子算法的發展主要集中在對純粹的費米子系統的建模上，比如量子化學中的分子。費米實驗室的科學家Jim Amundson解釋道：“不過在高能物理學中，我們還有玻色子，並且高能物理學家對玻色子和費米子之間的相互作用特別感興趣。於是，我們將現有的費米子模型擴展到能夠包含玻色子。我們以一種新穎的方式實現了這一突破。”據他們說法，對玻色子進行建模的最大障礙與量子比特（qubit）自身的性質有關。
論文共同作者、費米實驗室的理論家Roni Harnik指出：“關於如何將費米子映射到量子比特上，已經有了一套成熟的理論。”然而，對玻色子進行映射的程序相對複雜很多，部分原因在於玻色子態具有很強的適應性，這與受限制的、擁有兩種選擇的費米子態不同。
費米實驗室所實現的這一手段是首個可以有效應用於通用數字量子計算機（universal quantum computer）的方法。對於費米實驗室的粒子物理學家來說，下一步是用他們的方法來解決高能物理學中的問題。Macridin展望道：“在自然界中，費米子與玻色子的相互作用是基本物理效應；它們無處不在。現在，可以將我們的算法擴展到有關領域中的各種理論上了。”他們的這一成就已經翻越了粒子物理學的疆域，其他材料科學家也表示，這項研究工作將在可預見的未來幫助解決現實世界中的問題。
Amundson自豪地總結道：”我們用一種新的方式引入了玻色子，並且這種方式所需要的資源更少。這真正地開啟了一個全新的量子模擬實驗領域。”
期刊編號：0031-9007
原文鏈接：https://phys.org/news/2019-05-quantum-particle-simulation.html
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